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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positioniersystem gemäß des ersten Patentanspruchs.
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Positioniersysteme dienen der exakten und reproduzierbaren Positionierung von Komponenten. Sie weisen hierzu exakt führbare manuelle oder pneumatische, hydraulische, aktorische oder motorische betriebene Verstellmöglichkeiten für mindestens einen der insgesamt drei translatorische oder rotatorische Stellfreiheitsgrade auf. Sie umfassen folglich Führungs- und Verstellelemente sowie vorzugsweise Mess- und Regelmittel zur Erfassung, Kontrolle und Regelung der Positionierung.
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Die Auswahl der einstellbaren Freiheitsgrade sowie die erforderliche Verstellgenauigkeit richten sich nach den jeweilig zugrunde liegenden Anwendungen. Typische Anwendungen liegen im Bereich der Mikrosystemtechnik, der hochpräzisen Messtechnik oder in optischen Systemen wie der Lichtleitfasertechnik oder der Mikroskopie. Für bestimmte Aufgaben kann es sinnvoll sein, mehrere Freiheitsgrade im Verstellablauf miteinander zu koppeln oder mehrere Verstellelemente mit unterschiedlicher Verstellempfindlichkeit pro Verstellfreiheitsgrad vorzusehen.
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Die
DE 36 15 128 A1 repräsentiert beispielhaft für ein Positioniersystem einen Verstelltisch zur Justierung in einem Freiheitsgrad. Verstelltische wie dieser weisen typischerweise Linear-, alternativ auch Schwenkführungen auf, die entweder durch eine manuelle Feinverstellung oder Linearantriebe wie Piezoelektrische Antriebe oder Aktoren gegen eine Federkraft wirkend in eben diesem Freiheitsgrad verstellbar sind. Grundsätzlich sind die Verstellmöglichkeiten durch ein einfaches Hintereinanderschalten, d. h. Übereinanderstapeln mehrerer dieser Verstelltische auf mehrere Freiheitsgrade erweiterbar. Derartige Systeme sind grundsätzlich auch über Mikrometerschrauben im Mikrometerbereich einstellbar und zeichnen sich durch ihren großen Verstellbereich aus.
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DE 38 27 960 A1 offenbart ein aufwendiges Positionierelement für zwei laterale Freiheitsgrade (X-Y-Verstellung) mit einem federnd aufgehängten Schlitten. Der Schlitten wird allein durch jeweils paarweise gegeneinander wirkende Federelemente (Blattfedern) ohne zusätzliche Schienen oder Bahnen geführt und durch zwei Stellvorrichtungen in Position gebracht. Das Konzept lässt eine rein translatorische Bewegung nur mit exakt angreifenden Mikrometerschrauben zu. Ein exzentrisches Angreifen würde ohne die ebenfalls dargestellte enge Führung durch weitere Mikrometerschrauben ein einseitiges orthogonales Ausbrechen des Schlittens oder eine Drehbewegung des Schlittens bewirken. Die Mikrometerschrauben übernehmen somit die Aufgabe der vorgenannten Schienen und Bahnen, sodass das offenbarte System als geführtes System zu betrachten ist.
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Ferner wird in der
DE 40 41 870 A1 ein Positioniersystem für optische Systeme mit einer federnd aufgehängten Trägerplatte (Schlitten) offenbart, die sich für Justierungen in allen sechs Freiheitsgraden eignet. Die Trägerplatte ist mit drei Federelementen, vorzugsweise in Ruheposition parallel zueinander ausgerichtete quadratische Stabfedern frei in einem Rahmen aufgehängt und wird mit gegeneinander wirkenden Stellschrauben positioniert.
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Auch wird in
US 6,229,670 B1 ein solches Positionierelement mit einer Anordnung von jeweils vier Federelementen für die x- bzw. y-Richtung offenbart, das eine Bewegung in die jeweiligen Richtungen zugunsten einer hohen Genauigkeit und Steifigkeit nur in einem sehr geringen Maß zulässt. Vergleichbare Systeme offenbaren auch
US 4,559,717 A und
US 4,667,415 A .
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Die vorgenannten Systeme und Konzepte sind jedoch primär für einen ortsfesten Einsatz konzipiert, wobei eine Justierung grundsätzlich ein manuelles Eingreifen eines Bedieners ermöglicht. Sie sind in ihrem Aufbau daher eher groß und eignen sich nur sehr begrenzt für eine Miniaturisierung.
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Eingangs genannte Mikropositioniersysteme zeichnen sich dagegen durch sehr kleine Gesamtabmessungen bis unterhalb 1 mm sowie durch eine insbesondere im Vergleich zu Stellantrieben oder Mikroaktoren realisierbare hohe Präzision für sehr kleine Stellwege und Positionierungsstellungen bis in den Mikrometerbereich aus. Verstellgenauigkeiten liegen dabei im einstelligen Mikrometerbereich oder deutlich darunter, d. h. sie unterscheiden sich beispielsweise signifikant von typischen Positionierungsvorrichtungen, Verfahrtischen oder Gelenken aus den Bereichen der Medizintechnik, des Werkzeugmaschinenbaus oder der Robotik.
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Ein direktes manuelles Eingreifen eines Bedieners ist bei Mikropositioniersystemen nicht oder nur indirekt über Mikroaktoren, Manipulatoren oder anderen fernsteuerbaren Mikrosystemen möglich. Damit prädestinieren sich Mikropositioniersysteme auch für Positionierungen in unzugänglichen Bereichen oder in mobilen Systemen.
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Mikropositioniersysteme werden beispielsweise mit Hilfe der Silizium-Technik aufgebaut, was die Gestaltungsmöglichkeiten der Komponenten sowie die möglichen Bewegungsfreiheitsgrade aufgrund der Kristallorientierung der Siliziumkristalle einschränkt. Meist sind nur Bewegungen in zwei Achsen möglich, ggf. ergänzt um eine zusätzliche durch Stege geführte Rotationsachse auf einer ebenen Auflage.
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In der
DE 697 34 132 T2 wird beispielhaft ein Positioniersystem offenbart, bei dem ein Laufschlitten auf einem Trägerelement geführt und mittels piezoelektrischer Elemente in seiner Lage verstellbar gestaltet ist.
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DE 195 48 587 C2 beschreibt ein Mikropositioniersystem mit Stator (Schlitten), Translator (Trägerelement) und einem Stellmechanismus, welcher Stellwege mit einer Auflösung in der Größenordnung von Atomabständen in Festkörpern erlaubt. Stator und Translator sind aneinander reibende Festkörper. Durch Einwirkung einer äußeren Kraft entsteht zwischen den Festkörpern eine Schubspannung, wobei der Translator ein durch die Ausnutzung der nichtelastischen Festkörperformänderung nach Beendigung der äußeren Krafteinwirkung eine bleibende Formänderung einnimmt und damit eine Stellbewegung erzeugt wurde.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Positioniersystem für mindestens drei Freiheitsgerade vorzuschlagen, welches sich durch einen kompakten und besonders einfachen Aufbau auszeichnet, wobei in erster Linie nicht die Exaktheit der Stellgenauigkeit, sondern eine universelle Verstellbarkeit, verbunden mit einer einfachen Handhabung mit einfachen Mitteln sichergestellt werden soll.
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Die Aufgabe wird durch ein Positioniersystem mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wider Die Erfindung betrifft Positioniersystem mit einem Festlager und einem Positionierbereich, die durch mindestens ein Federelement miteinander verbunden sind, sowie mindestens ein auf den Positionierbereich oder auf das Federelement einwirkendes Stellmittel.
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Wesentlich ist, dass das oder die Federelemente in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen jeweils ein relatives oder absolutes Elastizitätsminimum aufweisen. Wird der Positionierbereich durch ein oder mehrere Stellmittel direkt oder indirekt aus seiner Federkräftegleichgewichtslage ausgelenkt, folgt der Positionierbereich entsprechend dem geringsten Widerstand oder der größten Nachgiebigkeit, d. h. vorzugsweise in Richtung der vorgenannten Bewegungsrichtungen. Die genannten Elastizitätsminima geben die Reaktionsrichtung bei Einwirkung der Stellmittel vor und stellen die einzige Führung in die Bewegungsrichtungen dar. Sie ersetzen somit auch die Führungselemente gemäß des Stands der Technik und lassen aber in vorteilhafter Weise bei entsprechenden Angreifen weiterer Stellmittel ohne zusätzliche Maßnahmen auch abweichende Bewegungen zu. Damit unterscheidet sich dieses Systems von den Systemen, bei denen beispielsweise eine hohe Steifigkeit von Federblechen in parallel zu der Blechebene für eine Führung eines Verstelltisches genutzt wird, während Kräfte orthogonal zu der Blechebene Stellbewegungen zulassen.
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Die vorgenannte Gestaltung der Erfindung mit einer grundsätzlich für Stellbewegungen in alle Richtungen vorhandene und nutzbaren Nachgiebigkeit des Felderelements fördert zusätzlich eine einfache Handhabung des Systems. Werden auf den Positionierbereich außer Stellkräften keine weiteren Kräfte übertragen, die ein Ausweichen und damit zu einer unerwünschten Verschiebung des Positionierbereichs bewirken, zeichnet sich das Positioniersystem zudem durch eine hohe Positioniergenauigkeit bei gleichzeitigem großen Stellwegebereich aus. Präzise und damit aufwendige Führungselemente sind nicht erforderlich und können auch nicht verschleißen, womit sich die Erfindung insbesondere für die Erstellung kostengünstiger, aber dennoch zuverlässig und vielseitig einstellbare Positioniersysteme prädestiniert. Durch den quasimonolithischen Aufbau ohne reibende oder gleitende Führungen erfolgt keine oder nur geringe Emission von Abrieb oder Schmiermittelaerosolen und ermöglicht damit in besonders vorteilhafter Weise eine Verwendung unter Reinraumbedingungen oder in einem Vakuum (z. B. im Rasterelektronenmikroskop). Einsatzgebiete finden sich vorzugsweise da, wo nur sich wenig ändernde Kräfte auf den Positionierbereich einwirken, wie z. B. in der Positionierung von Mikrokomponenten, in Mikroskopen als Objektträger, für Ausrichtung optischer Elemente wie Ablenkspiegel, Linsen, Prismen oder optische Fasern oder zum Verfahren von Werkstücken bei optischen, chemischen oder physikalischen wie erodierenden Bearbeitungen.
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Die Erfindung schließt die Verwendung des Positioniersystem für die vorgenannten Verfahren und Aufgaben mit ein.
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Durch den Ansatz mit führenden Federelementen wird eine Reduzierung der Komponenten ohne Verluste der Bewegungspräzision ermöglicht. Damit einhergehend gibt es wesentliche Einsparungen gegenüber Aufbau mit miniaturisierten Komponenten wie Präzisionsführungen und Piezo-Stellern.
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Die Stellmittel sind vorzugsweise ein oder mehrere Aktoren wie z. B. Stellgetriebemotoren oder Servoantriebe, die als eigenständige Komponenten oder als Systemkomponenten z. B. im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises z. B. mit Weg- oder Bewegungssensoren in das Positioniersystem integriert sind. Sie weisen bevorzugt eine unidirektionaler Wirkrichtung einer Kraft und/oder eines Weges auf. Vorzugsweise ist für jede Bewegungsrichtung ein eigener Aktor vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff Aktor grundsätzlich auch manuelle oder andere fernbedienbaren Stellglieder wie Mikrometerschauben, piezoelektrische, magnetostriktive oder fluidische Mikroaktoren, Formgedächtnislegierungsbleche (können auch Teil des Federelements sein), die für reproduzierbare Verstellungen für Positionsänderungen bis 5 mm, bevorzugt zwischen 100 nm und 1 mm, weiter bevorzugt zwischen 1 μm und 1 mm geeignet sind, bei einer Positionierauflösung zwischen 100 nm und 100 μm, bevorzugt zwischen 100 nm und 10 μm. Die muss ein Aktor nicht zwingend den gesamten Bereich überspannen. Vielmehr sind für größere Stellwege mit hoher Positioniergenauigkeit ein Aktor als Kombination zwischen einen Aktor mit einem großen Stellweg bei geringerer Genauigkeit und einen auf diesen aufgesetzten Aktor für Feinjustierungen vorteilhaft. Bei mit gleichen Parametern wie z. B. mit gleichen angreifenden Lasten wiederkehrenden Positionierungsbewegungen ist bei einer exakten Wiederholung der, Positionierung mit gleichen Ansteuerungsparametern (Steuersignale) für die Aktoren auszugehen. In diesem Fall ist es zur weiteren Vereinfachung der Handhabung vorteilhaft, die Stellbewegung der Aktoren zunächst positionskontrolliert (z. B. mit Positionssensoren für Weg und Winkel) zu betätigen, die entsprechenden Steuersignale zu speichern und bei gleichen Stellbewegungen ohne eine weitere Positionskontrolle wieder anzufahren.
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Die Federelemente umfassen bevorzugt mindestens zwei in Reihe geschaltete Einzelfederelemente (z. B. paarige Anordnung mit symmetrisch gegenläufiger Orientierung), wobei jedes Einzelfederelement vorzugsweise ein Elastizitätsmodulminimum in einer Raumachse aufweist und damit in vorgenannter Weise eine Vorzugsrichtung vorgibt. Werden dann die Stellmittel wie die vorgenannten Aktoren jeweils separat parallel zu einem Einzelfederelement zur selektiven Auslenkung desselben vorgesehen, d. h. jeweils ein Einzelfederelement wird jeweils mindestens durch einen Aktoren überbrückt, ist eine vorteilhafte Auslenkung eines jeden Einzelfederelements in eine Vorzugsrichtung unabhängig von den anderen Einzelfederelementen erzielbar. Die einzelnen Stellmittel wirken dann direkt auf das Federelement und nur über dieses, d. h. indirekt zwischen Festlager und Positionierbereich.
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Die genannten Bewegungsrichtungen, die durch die Elastizitätsminima der Einzelfederelemente und/oder des Federelements als Gesamtsystem vorgegeben sind, sind grundsätzlich als rotatorische und/oder translatorsiche (z. B. durch ein oder mehrere Drehfederelemente) Richtungen konzipierbar. Die Kombination von rotatorischen und translatorischen Bewegungsrichtung wird durch die zu lösende Positionieraufgabe vorgegeben.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erste Ausführungsform für mit zwei, eine Ebene aufspannende translatorischen Vorzugsrichtungen,
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2 eine zweite Ausführungsform für mit drei translatorischen Vorzugsrichtungen für Positionierungen in alle Raumrichtungen,
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3 ein Einzelfederelement für die in 2 dargestellte Ausführungsform sowie
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4 eine weitere Ausführungsform für mindesten eine translatorische und eine rotatorische Vorzugsrichtung.
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Alle dargestellten Ausführungsformen weisen einen Rahmen als Festlager 1, einen Positionierbereich 2, die mit dem Federelement 3 mit hintereinander geschalteten Einzelfederelementen 4 und Verbindungselementen 5 miteinander verbunden sind. Die Einzelfederelemente besten aus Federblechstreifen. Die Verbindungselemente sind als separate Teile (vgl. z. B. 1) oder mit gleicher Wirkung als stoff- oder formschlüssige Verbindung (vgl. z. B. 2) vorgesehen. Ferner zeigen 1 bis 3 auch die Anordnung von Aktoren 6 als Stellmittel, die die Einzelfederelemente 4 in die jeweilige Vorzugsrichtung 7 auslenken.
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1 zeigt beispielsweise eine erste Ausführungsform mit zwei, eine Ebene aufspannenden Vorzugsrichtungen, wobei zwei der vorgenannten Einzelfederelemente 4 durch ein Blechstreifenringe unterschiedlichen Umfangs gebildet sind, die konzentrisch ineinander angeordnet sind und jeweils an die benachbarten Blechstreifenringe an je zwei sich gegenüberliegenden Punkten jeweils über die genannten Verbindungselemente 5 fest verbunden sind.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform zeigt ein speziell für einen Einsatz im Mikroskop oder einer Laserstrukturierungsvorrichtung konzipiertes Positioniersystem mit lateralen Positioniermöglichkeiten in allen drei Raumrichtungen. Das Federelement 3 hierfür umfasst vier parallel geschaltete Einzelfederelementen 4 aus gefalteten Federblech (vgl. 3), die über je eine Fixierungsfläche 13 durch Klebung, Verschweißung, Verlötung, Verschraubung etc. mit dem Festlager 1 (Gehäuse 11) verbunden dieses direkt mit einer nicht dargestellten, aber auf je ein Auflagerpunkt 8 der Einzelfederelemente 4 fixierten Platte als Positionierbereich verbindet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 1 umfassen die Einzelfederelemente mehrere, im Beispiel gem. 2 und 3 drei hintereinander geschaltete Knickblechfederelemente. Jedes dieser Knickblechfederelemente weist eine entsprechend der Richtung mit dem jeweils geringsten Elastizitätsminimum vorgegebene Vorzugsrichtung auf. Ein Einzelfederelement gemäß 3 umfasst drei Knickblechfederlemente 12 und folglich drei Vorzugsrichtungen 7 in alle drei Raumrichtungen auf. Vier Einzelfederelemente 4 gem. 3 bilden gemeinsam das Federelement 3 in 2, wobei die Vorzugsrichtungen 7 aller Einzelfederelemente in drei gemeinsame translatorische Hauptrichtungen weisen.
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Dabei ist zu beachten, dass die Vorzugsrichtungen 7 von Knickfederelementen wie in 3 dargestellt genau genommen um die Knickung 9 bogenförmig, d. h. rotatorisch sind. Bei dem im Ausführungsbeispiel vorliegenden kleinen Wegauslenkungen und langen Knickhebeln 10 sowie bei in 2 dargestellten spiegelbildlich symmetrischen Anordnung von vier identischen Federelementen 4 mit jeweils drei hintereinander geschalteten Knickfederelementen (gefaltetes Federblech), die auch die die Erfindung charakterisierenden Nachgiebigkeiten in allen Richtungen zulassen, werden mit mögliche Abweichungen von einer rein translatorischen geradlinigen Vorzugsrichtung des gesamten Federelements in Summa ausgeglichen.
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Eine Integration mehrerer Einzelfederelemente wie Knickfederelemente reduziert die erforderlichen Verbindungselemente dieser zum Festlager, Zwischenrahmen und/oder zum Positionierbereich und reduziert damit die erforderliche Baugröße.
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Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der massiv reduzierten Anzahl von Komponenten, aber auch in der einfachen und montagegerechten Gestaltung dieser Komponenten. Jedes Einzelfederelement übernimmt im Rahmen des Systems mehrere Funktionen wie Führen, Dämpfen und Halten. Damit wird grundsätzlich ein besonders kompakter Aufbau möglich. Gleichzeitig ermöglicht ein konsequent montagegerechtes Design der Einzelfederelemente mit Knickfederelementen eine weitere Reduzierung des Bauvolumens sowie der umgebenden Komponenten. Ferner ermöglicht die Erfindung eine Verwendung von preiswerten und kompakten Miniaturantrieben sowie Getrieben aus dem Modellbau (sog. Servos), die von einem Festlager wie dem Gehäuse 11 direkt an den Positionierbereich angreifen. Das Gehäuse kann wie auch das gesamtes System z. B. durch eine Einbuchtung 18, dargestellt z. B. in 2 an die umgebenden Systeme (im Beispiel: ein Mikroskop) angepasst werden.
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4 offenbart dagegen beispielhaft eine Ausführungsform für mindestens eine translatorische und eine rotatorische Vorzugsrichtung 7. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten, dass das innen liegende Einzelfederelement durch einen Zwischenrahmen 14 ersetzt wurde, in dem der Positionierbereich 2 um eine virtuelle Drehachse 15 drehbar durch symmetrisch zu der Drehachse angeordnete Einzelfederelemente 4 (gebogene Blechstreifen 17) federnd aufgehängt ist und über zwei ebenso symmetrisch um die Drehachse angeordnete Antriebe 16 (als Stellmittel) auslenkbar ist.
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Mit den Konzepten der beschriebenen Ausführungsformen lassen sich Komplettsysteme mit praktisch beliebigen Vorzugsrichtungskombiationen zusammenstellen, z. B für sechs Freiheitsgrade, d. h. in alle Translations- und Rotationsfreiheitsgrade.
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Ein Anspruch der Erfindung liegt darin, bei einem gegebenen geringen Raumvolumen, im Ausführungsbeispiel gem. 2 in einem Mikroskop von etwa 50 cm3 ein besonders leichtes, verlustarmes, billiges und hinreichend genaues Positioniersystem anzubieten. Das genannte Ausführungsbeispiel eignet sich für Positionierungen mit einer Genauigkeit unter 10 μm bei +/–1 mm Verfahrweg, eine Aufgabe, die das Positionierungssystem mit geführten Laufschlittensystemen in Konkurrenz treten lässt. Diese sind zwar sehr kompakt, aber aufgrund der geforderten Genauigkeit auch teuer und wegen ihrer Baugröße nur noch durch Kleben oder Klemmen zu montieren. Beim Kleben muss eine entsprechende Justierung erfolgen, weil Lagekorrekturen nach dem Kleben erschwert werden. Zudem ermöglichen sie keine homogene Lastverteilung in den zwei Bewegungsrichtungen, weil der Schlitten (Positionierungsbereich) als wesentliches und schwerstes bewegliches Element durch die Bewegung eine Position ändert und damit die Massenverteilung entlang der Schiene. Je nach Position und Auslenkung wirken unterschiedliche Kräfte auf die Lagerung. Dies kann über paarig angebrachte Führungen teilweise kompensiert werden, erhöht aber gleichzeitig das Bauvolumen und die Kosten. Eine Aufhängung aus einer sub-mm dünnen Zungenfeder verändert zwar ebenso ihre Lage und den dazugehörigen Schwerpunkt, dies fällt aber wegen der sehr geringen Gesamtmasse der Feder viel weniger ins Gewicht. Weiterhin werden für Positionieraufgaben im Allgemeinen spezielle Schrittmotoren angewendet, deren Steuerung weitere Komponenten verlangt. Damit wird ein Komplettsystem immer zweigeteilt ausfallen und weitere Steuerleitungen sind nötig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festlager
- 2
- Positionierbereich
- 3
- Federelement
- 4
- Einzelfederelement Verbindungselement
- 6
- Aktor
- 7
- Vorzugsrichtung
- 8
- Auflagerpunkt
- 9
- Knickung
- 10
- Knickhebel
- 11
- Gehäuse
- 12
- Knickblechfederelement
- 13
- Fixierungsfläche
- 14
- Zwischenrahmen
- 15
- Virtuelle Drehachse
- 16
- Antrieb
- 17
- Blechstreifen
- 18
- Einbuchtung
